低気圧とコリオリの力：渦の形成Low Pressure and the Coriolis Force: How a Cyclone Forms

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 北半球の低気圧のまわりで、空気はどちら回り(時計回り・反時計回り)の渦になると思いますか。南半球ではどうでしょうか。Around a low in the Northern Hemisphere, which way do you think the air will swirl: clockwise or counterclockwise? What about the Southern Hemisphere?💡 空気はまず中心へ向かって動き出します。北半球では動いている物体は進行方向の右へ曲げられます。The air first starts moving toward the center. In the Northern Hemisphere, moving objects are deflected to the right of their motion.
2. 赤道の近くで同じような低気圧があったら、空気の流れ方はどうなると思いますか。If a similar low sat near the equator, how do you think the air would flow?💡 コリオリの力の大きさを表す f = 2Ω sinφ で、φ が 0° に近いと f はどうなるでしょうか。In f = 2Ω sinφ, which sets the size of the Coriolis force, what happens to f when φ is close to 0°?

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態(「北半球」、「緯度 φ」45°N、「気圧差 ΔP」20 hPa)で、空気塊の流線と中心の矢印から渦の向きを確かめ、表示「渦の向き」「収束成分」「流入角」を読む。代表粒子の矢印で、白の「速度 v」に対して赤の「コリオリの力」がどちら向きか、青の「気圧傾度力(中心向き)」がどこを向くかを観察する。In the starting state ("Northern", "Latitude φ" 45°N, "Pressure diff. ΔP" 20 hPa), check the rotation from the air parcel paths and the arrow at the center, and read "Rotation", "Converging" and "Inflow angle". On the sample parcels, see which way the red "Coriolis force" points relative to the white "Velocity v", and where the blue "Pressure gradient force (to center)" points.
2. 「南半球」ボタンを押し、渦の向き、f の符号、コリオリの力の矢印の向きの変化を確かめる。確かめたら「北半球」に戻す。Press the "Southern" button and check how the rotation, the sign of f, and the direction of the Coriolis arrow change. Then switch back to "Northern".
3. 「緯度 φ」スライダーを 90°N → 10°N → 3°N → 0°N と動かし、f の値、「渦の向き」の表示、「流入角」を記録する。Move the "Latitude φ" slider to 90°N → 10°N → 3°N → 0°N and record f, the "Rotation" readout, and the "Inflow angle".
4. 「緯度 φ」を 45°N に戻し、「気圧差 ΔP」を 50 hPa と 4 hPa にして、中心の気圧と流れの速さ、流入角の変化を観察する。Return "Latitude φ" to 45°N, set "Pressure diff. ΔP" to 50 hPa and then 4 hPa, and observe how the center pressure, the flow speed and the inflow angle change.

3確かめようCheck

1. 北半球 45°N と南半球 45°S で、渦の向きはどうなりましたか。What was the rotation at 45°N in the Northern Hemisphere and at 45°S in the Southern Hemisphere?→ 北半球では「反時計回り」、南半球では「時計回り」になった。f は 1.031×10⁻⁴ s⁻¹ から −1.031×10⁻⁴ s⁻¹ に符号が変わり、コリオリの力は北半球では進行方向の右、南半球では左に向いた。It was "counterclockwise" in the Northern Hemisphere and "clockwise" in the Southern Hemisphere. f changed sign from 1.031×10⁻⁴ s⁻¹ to −1.031×10⁻⁴ s⁻¹, and the Coriolis force pointed to the right of the motion in the north and to the left in the south.
2. 代表粒子の矢印で、気圧傾度力とコリオリの力はそれぞれどちらを向いていましたか。On the sample parcels, which way did the pressure gradient force and the Coriolis force point?→ 青の気圧傾度力は常に中心(低圧部)を向き、赤のコリオリの力は白の速度 v に垂直で、北半球では進行方向の右向きだった。灰色の摩擦力は速度と逆向きにはたらいていた。The blue pressure gradient force always pointed to the center (the low), and the red Coriolis force was at right angles to the white velocity v, pointing to the right of the motion in the Northern Hemisphere. The gray friction force acted opposite to the velocity.
3. 緯度を下げていくと、f と流入角はどう変わりましたか。As the latitude was lowered, how did f and the inflow angle change?→ 90°N で f = 1.458×10⁻⁴ s⁻¹・流入角 80°、45°N で 1.031×10⁻⁴ s⁻¹・77°、10°N で 0.253×10⁻⁴ s⁻¹・30°(「弱い渦」)、3°N で 0.076×10⁻⁴ s⁻¹・5°、0°N で f = 0・0°となった。3°N 以下では「ほぼ直進して中心へ流入(渦が崩れる)」と表示され、流線は放射状になった。At 90°N, f = 1.458×10⁻⁴ s⁻¹ with an inflow angle of 80°; at 45°N, 1.031×10⁻⁴ s⁻¹ and 77°; at 10°N, 0.253×10⁻⁴ s⁻¹ and 30° ("Weak vortex"); at 3°N, 0.076×10⁻⁴ s⁻¹ and 5°; and at 0°N, f = 0 and 0°. At 3°N and below the readout said "Flows almost straight into the center (no vortex)" and the paths became radial.
4. 渦ができているとき、空気は中心のまわりを回るだけでしたか。When a vortex formed, did the air only circle around the center?→ 回るだけではなかった。「収束成分: あり」と表示され、流入角は 90° より小さく(45°N で約 77°)、空気はらせんを描きながら中心へ流れこんだ。これは摩擦によって風が弱められ、コリオリの力が気圧傾度力とつり合いきれないためである。No. The readout showed "Converging: yes" and the inflow angle stayed below 90° (about 77° at 45°N), so the air spiraled into the center. This is because friction slows the wind, so the Coriolis force cannot fully balance the pressure gradient force.

4考えようThink further

1. 台風(熱帯低気圧)は赤道から緯度 5° 以内ではほとんど発生しません。このシミュレーションの結果から理由を説明してください。Typhoons (tropical cyclones) almost never form within about 5° of the equator. Use the simulation to explain why.→ コリオリの力は f = 2Ω sinφ に比例し、赤道付近では f がほぼ 0 になる。シミュレーションでも 3°N では流入角が約 5° となり、空気は中心へほぼ直進して渦が崩れた。回転がつくられないので、渦をもつ低気圧が発達しにくい。The Coriolis force is proportional to f = 2Ω sinφ, and f is almost zero near the equator. In the simulation, at 3°N the inflow angle was only about 5° and the air went almost straight to the center without forming a vortex. Without rotation, a swirling low cannot develop.
2. 地表付近の低気圧で空気が中心に集まると、その空気はどこへ行くでしょうか。それは天気とどう関係しますか。When air near the ground converges into a low, where does that air go? How is this related to the weather?→ 中心に集まった空気は行き場を失って上昇する。上昇する空気は膨張して冷え、水蒸気が凝結して雲ができるため、低気圧の中心付近では曇りや雨になりやすい。(上昇気流はこの平面のシミュレーションでは表示されない。)The converging air has nowhere to go but up. Rising air expands and cools, and water vapor condenses into clouds, so the area near the center of a low tends to be cloudy or rainy. (The rising motion is not shown in this flat simulation.)

よくある誤解Common misconceptions

• 「風は気圧の高いほうから低いほうへまっすぐ吹く」という誤解。中緯度ではコリオリの力で風は大きく曲げられ、等圧線にほぼ沿いながら少しずつ中心へ流れこむ(45°N で流入角約 77°)。まっすぐ吹きこむのは赤道付近だけである。"Wind blows straight from high to low pressure." At middle latitudes the Coriolis force bends the wind strongly, so it flows nearly along the isobars while slowly moving inward (inflow angle about 77° at 45°N). It blows straight in only near the equator.
• 「コリオリの力は空気を中心に引き寄せる力だ」という誤解。中心へ引くのは気圧傾度力で、コリオリの力は速度に垂直で向きを変えるだけであり、速さは変えない。"The Coriolis force pulls air toward the center." The pressure gradient force pulls air inward; the Coriolis force is perpendicular to the velocity and only changes the direction, not the speed.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)